Предпосылка синхронизации жизненного цикла между хищником и жертвой

Новый ответ, основанный на первом комментарии пользователя 2686410 и последующих изменениях вопроса.

Я истолковал «синхронизацию собственных поколений с делителями…» как синхронизацию продолжительности жизненного цикла. Я рад услышать о другой интерпретации.

Во-первых, общая цель Goles et al. (2001) , похоже, не проверяют гипотезы, связанные с эволюцией жизненных циклов цикад как таковых . Похоже, их общая цель вместо этого могла состоять в том, чтобы исследовать генерацию простых чисел из теории чисел с использованием биологических моделей. Например, из аннотации, которую они заявляют,

Модель знаменует собой столкновение двух, казалось бы, не связанных между собой дисциплин: биологии и теории чисел. Ограничение последнего обеспечивает эволюционный генератор произвольно больших простых чисел.

а в конце обсуждения пишут,

Хотя существуют традиционные методы обнаружения простых чисел (см., например, ссылку 23), которые работают быстрее, чем методы, представленные здесь, примечательно, что генерация простых чисел может быть выполнена с использованием биологической модели.

Чтобы более прямо ответить на ваш вопрос, и если я понимаю их модели, Goles et al. (2001), похоже, допускают совместную эволюцию жизненных циклов как хищников, так и жертв, но это не всегда ясно.

Теперь мы сравниваем жертву, мутирующую в цикл Y', с резидентной жертвой (длина цикла Y ) при постоянном X. Аналогичным образом мы сравниваем мутантные циклы X' с резидентными циклами X при постоянном Y (Goles et al. 2001, pg. 34; выделение добавлено).

Здесь как бы говорят, что жизненный цикл одного (хищника или жертвы) может меняться, в то время как другой остается постоянным (добыча или хищник). Жизненные циклы не совпадают. Последующие формулы и утверждения подразумевают интерактивный эффект между жизненными циклами хищника и жертвы. (Честно говоря, их текст несколько неясен для меня, и они не определяют все свои математические термины, что затрудняет следование логике их моделей.)

Несмотря на это, результаты их первоначальных моделей, показанные на рисунке ниже, показывают, что жертва конвергентна по 17-летнему жизненному циклу, а хищники — по 4-летнему циклу. Несколько более сложные модели, как правило, сходятся на 13- и 17-летних циклах, хотя другие простые числа, такие как 11, 19 и 23, имели аналогичную вероятность эволюции.

Гоулз и др. (2001) в начале своей статьи признают, что нет никаких доказательств существования хищников с периодическими циклами, совпадающими с жизненными циклами цикад. Это согласуется с общими экологическими наблюдениями. Большинство хищников потребляют несколько предметов добычи. Высокоспециализированные хищники были бы более уязвимы для исчезновения, если бы исчез их источник добычи.

Другая численная модель, разработанная Tanaka et al. (2009) специально для изучения эволюции жизненного цикла цикад вообще не включает жизненные циклы хищников. Их результаты по-прежнему сходятся на 13- и 17-летних жизненных циклах, хотя они ограничили возможный диапазон жизненных циклов от 10 до 20 лет. Таким образом, похоже, что хищникам не обязательно иметь жизненный цикл, совпадающий с жизненными циклами жертвы, чтобы гипотеза насыщения хищников работала. Конечно, это согласуется с наблюдениями в реальном мире о том, что у цикад, похоже, нет хищников с сопутствующими жизненными циклами.

Оригинальный ответ, слегка отредактированный

В случае с цикадами они являются добычей, а не хищниками. Они не синхронизируют свои жизненные циклы с хищниками (если я правильно интерпретирую весь ваш вопрос). Аргумент состоит в том, что цикады развили синхронизированные жизненные циклы, чтобы максимизировать выживаемость. Поскольку большое количество особей появляется за очень короткий период времени, очень высокая плотность означает, что большинство особей будут жить достаточно долго, чтобы размножаться, потому что хищники (птицы, мелкие грызуны и т. д.) насытятся (см. Williams and Simon 1995 ). для обзора и указателей на раннюю литературу). Некоторые хищники цикад будут присутствовать всегда, поэтому цикады не синхронизируются с каким-либо конкретным хищником.

Гоулз и др. (2001) использовали численные модели, чтобы доказать, что такие жизненные циклы имеют тенденцию сходиться на простых числах. (Как обсуждалось в обновлении выше)

Танака и др. (2009) недавно утверждали, снова используя численные модели, что жизненные циклы цикад, основанные на простых числах, развились в результате эффекта Алли . Эффект Алли в основном утверждает, что существует положительная связь между приспособленностью особей в популяции и размером или плотностью популяции. Ниже определенного размера популяция не может поддерживать себя и уязвима для исчезновения. Танака и др. утверждают, что эффект Алли приводит к жизненным циклам на основе простых чисел при различных параметрах окружающей среды. Они также утверждают, что поддержание альтернативных жизненных циклов сводит к минимуму гибридизацию между группами с разным временем жизненного цикла.

Кажется, что действительно осталось понять эволюцию жизненных циклов цикад, так это разгадать генетические механизмы, связанные со временем.

Цитируемая литература

Гоулс, Э. и др. 2001. Выбор простых чисел циклов в модели хищник-жертва. Сложность 6: 33-38.

Танака Ю. и соавт. 2009. Эффект Аллея в отборе циклов простых чисел у периодических цикад. Труды Национальной академии наук США 106: 8975-8979.

Уильямс, К.С. и К. Саймон. 1995. Экология, поведение и эволюция периодических цикад. Ежегодные обзоры энтомологии 40: 269-295.

Ответ Майка Тейлора хорошо изучен и вдохновил на следующий мысленный эксперимент, который может вам помочь.

Представьте хищника цикады, которому требуется несколько лет, чтобы достичь зрелости (скажем, пять). Популяция этого хищника распределена равномерно по всем стадиям его жизненного цикла, по крайней мере, на первых порах.

В один год происходит извержение цикад, и все представители этого вида хищников невероятно упитаны в течение месяца или двух. Если последствия этого избытка добычи не распределяются совершенно равномерно по всем возрастным группам хищников, будет преимущество в приспособленности для той или иной возрастной группы. Может быть, молодые растут быстрее, а старые проводят больше времени за поиском партнера, чем за едой. Неважно, какой (даже может быть и тот, и другой), пока он не затрагивает даже всех представителей вида хищников.

Теперь изучите следующее поколение через пять лет. Здесь также ощущаются последствия переизбытка добычи (больше родителей-> больше детей, более крупные родители-> более сильные дети и т. д. и т. д.). Если цикл цикад составляет пять или даже десять лет, каждое поколение хищников (или каждое другое поколение), совпадающее с извержением цикад, получает прирост приспособленности/популяции. После многих итераций доминирует возрастная группа хищников, которые созревают или нерестятся или что-то еще вовремя, чтобы получить максимальную выгоду от извержения цикад. Вместо равномерно распределенных возрастных диапазонов вы получаете большую группу видов хищников, синхронизированных для получения оптимальной выгоды от извержений цикад, что является плохой новостью для цикад.

То, что регулирует продолжительность жизненного цикла хищника, — это время достижения половой зрелости, или время поколения. Если это фактор времени спячки цикад, развиваются циклы, и у цикад возникают проблемы. Если цикады используют большое простое число, количество поколений цикад между совпадающими поколениями хищников очень велико. (пятилетний цикл хищников и 17-летний цикл цикад перекрываются только раз в 85 лет). На каждое поколение хищников, получающих оптимальную выгоду от цикла, приходится 17 из них жить без этой выгоды.

Вообще говоря, для достижения половой зрелости требуется много времени, что является плохой новостью для вида-хищника (при прочих равных условиях), поэтому, насколько мне известно, ни один вид не эволюционировал, чтобы синхронизировать свои поколения с цикадами.